MATERIAL DE APOYO 2

MEDICIONES ELÉCTRICAS

PROCESO DE MEDICIÓN

Con el fin de lograr una mejor comprensión de la medición algunos conceptos como: beneficios de la medición. Qué que es medir, por qué medir, donde realizar mediciones, cuando y  que debemos medir, quien debe hacer la medición, las mediciones y la gerencia, las mediciones y el mejoramiento.

QUE ES MEDIR?

Definición 1. Una medición es un acto para determinar la magnitud de un objeto en cuanto a cantidad.

Definición 2. Una medición es comparar la cantidad desconocida que queremos determinar y una cantidad conocida de la misma magnitud, que elegimos como unidad. Al resultado de medir se le denomina medida.

Definición 3. Una medición es una comparación de la cantidad desconocida con la unidad estándar. 

El aparato o instrumento de medición indica la magnitud de la cantidad medida por medio de algún sistema indicador. Para ello es necesaria su calibración, que consiste en obtener la relación funcional entre la magnitud medida y la indicación, mediante la comparación directa o indirecta con una referencia o patrón que engloba, posee o genera una magnitud fija o reproducible de la cantidad física que se toma como la unidad o bien, algún múltiplo o fracción de la unidad. Cualquier cantidad medida puede expresarse entonces como un número (que es la razón de estas magnitudes) y el nombre de la unidad. 

Al medir obtenemos una respuesta aproximada de la magnitud de interés y las mediciones no son nunca números ''exactos''. Tenemos que conformarnos con valores medidos que toman la forma de intervalos, dentro de los cuales tenemos confianza de que se encuentra el valor deseado. El acto de medir implica que determinemos la ubicación y la extensión de ese intervalo, lo cual requiere que cada vez que midamos apliquemos el uso cuidadoso del juicio y de la apreciación visual. 

Los extremos del intervalo pueden ser encontrados por separado uno del otro. Si m representa el valor de la cantidad medida, se define o identifica el intervalo (m1, m2) en la escala del instrumento para el cual podemos afirmar, con una seguridad que en general, es relativa, que: m < m2 y m > m1, de manera que m1 < m < m2.
 

Si la mínima división de la escala del instrumento es de tamaño apreciable y la respuesta del instrumento no fluctúa, es decir, no oscila (indebidamente) para una entrada constante, es posible que se pueda medir una magnitud bien definida y constante, con cierto optimismo y una buena agudeza visual, leyendo en la escala del instrumento y estimando una cierta fracción dentro de la mínima división, procedimiento que recibe el nombre de interpolación. También al interpolar, es necesario estimar el tamaño del intervalo de confianza, con un criterio que sea compatible con la capacidad de interpolación que nos reconocemos.

El resultado de toda medición debe especificarse como un intervalo

No hay una regla universalmente válida para determinar el tamaño del intervalo. Podemos identificar algunos factores que influyen en su extensión: 1) 2) Tipo de medición; Resolución de la escala, que determina el valor de la mínima división y la manera en que se hace su lectura (corte o redondeo); 3) 4) 5) Condiciones físicas y de iluminación de la escala; Agudeza visual del observador; Error de paralaje causado por una separación apreciable entre la escala y el objeto que se mide, y que hace que su posición relativa varíe con cambios en la posición del ojo y la dirección desde la que observamos.

Medición directa

La medida o medición diremos que es directa, cuando se obtiene con un instrumento de medida que compara la variable a medir con un patrón. Así, si deseamos medir la longitud de un objeto, se puede usar un calibrador. Obsérvese que se compara la longitud del objeto con la longitud del patrón marcado en el calibrador, haciéndose la comparación distancia-distancia. También, se da el caso con la medición de la frecuencia de un ventilador con un estroboscopio, la medición es frecuencia del ventilador (nº de vueltas por tiempo) frente a la frecuencia del estroboscopio (nº de destellos por tiempo).

 

Medición estadística

Son aquellas que al efectuar una serie de comparaciones entre la misma variable y el aparato de medida empleado, se obtienen distintos resultados cada vez. Ejemplo: Determinar el número de personas que leen este artículo diariamente.

Aunque se obtienen resultados diferentes cada día, se puede obtener un valor medio mensual o anual.

Medición indirecta

No siempre es posible realizar una medida directa, porque existen variables que no se pueden medir por comparación directa, es por lo tanto con patrones de la misma naturaleza, o porque el valor a medir es muy grande o muy pequeño y depende de obstáculos de otra naturaleza, etc. Medición indirecta es aquella en la que una magnitud buscada se estima midiendo una o más magnitudes diferentes, y se calcula la magnitud buscada mediante cálculo a partir de la magnitud o magnitudes directamente medidas.

Ejemplo: Se desea medir la altura de un edificio demasiado alto, dadas las dificultades de realizar la medición directamente, emplearemos un método indirecto. Colocaremos en las proximidades del edificio un objeto vertical, que sí podamos medir, así como su sombra. Mediremos también la longitud de la sombra del edificio. Dada la distancia del Sol a la tierra los rayos solares los podemos considerar paralelos, luego la relación de la sombra del objeto y su altura, es la misma que la relación entre la sombra del edificio y la suya. 

 TIPOS DE ERRORES

El origen de los errores de medición es muy diverso, pero pueden distinguirse los siguientes tipos. Respecto a la ocurrencia de dichos errores se tiene:

·         Error sistemático

·         Error aleatorio

Respecto a la cuantificación de los errores se tiene:

·         Error absoluto

·         Error relativo

Errores sistemáticos

Los errores sistemáticos son aquellos errores que se repiten de manera conocida en varias realizaciones de una medida. Esta característica de este tipo de error permite corregirlos posteriormente. Un ejemplo de error sistemático es el error del cero, en una báscula, que a pesar de estar en vacío, señala una masa no nula.

Los errores sistemáticos pueden ser de cuatro tipos: 1. Instrumentales. Por ejemplo, un instrumento mal calibrado como un termómetro que lee 102 °C cuando está sumergido en agua hirviendo y 2 °C cuando está sumergido en agua helada a presión atmosférica. Tal termómetro producirá mediciones que son consistentemente demasiado altas.

 2. De observación. Por ejemplo, de paralaje en la lectura de una escala métrica. 

3. Del medio ambiente. Por ejemplo, una baja de tensión eléctrica que causa corrientes medidas que son consistentemente muy bajas.

 4. Teóricas. Debidas a simplificaciones del sistema modelo o aproximaciones en las ecuaciones que lo describen. Por ejemplo, si una fuerza de fricción está actuando durante el experimento pero no está incluida en la teoría, los resultados estarán en desacuerdo consistentemente.

En principio un experimentador desea identificar y corregir estas incertidumbres sistemáticas.

Errores de calibración de instrumentos En general, la calibración de un instrumento no puede ser perfecta, a causa de la incertidumbre en la constancia y reproducibilidad del patrón con el cual se calibra y posibles cambios en la respuesta del instrumento después de su última calibración. Cuando los errores sistemáticos provienen de la mala calibración del instrumento de medición, se pueden detectar calibrándolo al compararlo con un patrón previamente establecido.

 

Errores aleatorios

Los errores aleatorios se producen de modo no regular, sin un patrón predefinido, variando en magnitud y sentido de forma aleatoria, son difíciles de prever, y dan lugar a la falta de calidad de la medición. Si bien no es posible corregir estos errores en los valores obtenidos, frecuentemente es posible establecer su distribución de probabilidad, que muchas veces es una distribución normal, y estimar el efecto probable del mismo, esto permite establecer el margen de error debido a errores no sistemáticos.

Tienen que ver con fluctuaciones positivas y negativas en las medidas, ocasionadas por la combinación de efectos: del instrumento, quien mide y de las condiciones en las que se realiza el experimento. Las fuentes de los errores aleatorios no siempre pueden ser identificadas. Para estimar estos errores repetimos varias veces las mediciones y así podremos obtener una medida de la repetitividad, es decir, la dispersión o cercanía entre los valores medidos en tiempos diferentes. La distinción entre errores aleatorios y

 

Error absoluto

·         El error absoluto de una medida es la diferencia entre el valor de la medida y el valor real de una magnitud (valor tomado como exacto).

 

Error relativo

·         Es la relación que existe entre el error absoluto y la magnitud medida, es adimensional, y suele expresarse en porcentaje.

 

INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

 Un instrumento de medición es un aparato que se usa para comparar magnitudes físicas mediante un proceso de medición. Como unidades de medida se utilizan objetos y sucesos previamente establecidos como estándares o patrones, y de la medición resulta un número que es la relación entre el objeto de estudio y la unidad de referencia. Los instrumentos de medición son el medio por el que se hace esta conversión.

CARACTERÍSTICAS DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN

Las características màs importantes de un instrumento de medida son:

·         Precisión: es la capacidad de un instrumento de dar el mismo resultado en Mediciones diferentes realizadas en las mismas condiciones.

·         Exactitud: es la capacidad de un instrumento de medir un valor cercano al valor de la magnitud real.

·         Apreciación: es la medida más pequeña que es perceptible en un instrumento de medida.

·      Sensibilidad: es la relación de desplazamiento entre el indicador de la medida y la medida real.

PATRONES DE MEDIDAS

Un patrón de medida, es un hecho dado para crear una nueva unidad de medida; Por lo general solo las unidades básicas poseen patrones básicos de medidas, ya que el resto son derivadas de los patrones básicos.

En la ingeniería electrónica se trabaja con diversas unidades, algunas unidades son básicas y la gran mayoría son derivadas, como por ejemplo la tensión, resistencia, potencia, entre otras.

Las unidades trabajadas se presentan a continuación 

* Intensidad de corriente eléctrica dada en Amperios
* Carga eléctrica dada en coulomb 
* Voltaje dado en Voltios 
* Resistencia dado en Ohmios
* Potencia dada en Watts 
* Capacitancia dada en Faradios 
* Inductancia dada en Henrios (H)
Cada una de estas unidades básicas posee un patrón de medida diferente; A continuación se mostrara los diferentes patrones para las diferentes medidas.

UNIDADES BÁSICAS EN ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA

PATRÓN DE INTENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA (A)

La intensidad de corriente eléctrica está definida como una unidad básica de medida, su unidad de medida según el Sistema Internacional de Unidades, está dado por el Amperio (A), el cual se define como la intensidad de una corriente constante que manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro en el vacío, produciría una fuerza igual a 2×10-7 newton por metro de longitud.

PATRÓN DE  CARGA ELÉCTRICA ( Q )

La carga eléctrica es una característica de algunas partículas que se manifiesta mediante atracciones o repulsiones las cuales determinan la interacción electromagnética entre ellas.

La unidad de la carga eléctrica, según el Sistema Internacional de Unidades, está dada por el Coulomb, el cual está definido como la cantidad de carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio de intensidad de corriente eléctrica. 

PATRÓN DE  VOLTAJE ( V )

El voltaje se define como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico, sobre una partícula cargada, para moverla de un lugar a otro.

La unidad de medida del voltaje, según el Sistema Internacional de Unidades está dada por el voltio (V), el cual se define como la diferencia de potencial existente entre dos puntos tales que toca realizar el trabajo de 1 Joule para llevar de un punto al otro una carga de 1 Coulomb.
PATRÓN DE RESISTENCIA

La resistencia se define como la oposición que presenta un cuerpo al paso de una corriente eléctrica al tratar de circular por un conductor.

La unidad de resistencia eléctrica en el sistema internacional es el Ohmio (ohm) y es la resistencia eléctrica que presenta un conductor entre dos puntos cuando al ser recorrido por una corriente eléctrica constante de intensidad 1 amperio se produce entre dichos puntos una diferencia de potencial de 1 voltio, en ausencia de fuerzas electromotrices en el conductor y entre los dos puntos citados.

PATRÓN DE POTENCIA (W)

La potencia se define como la rapidez a la cual se realiza un trabajo, según la expresión matemática:

Potencia=w. t

La unidad de medida de la potencia es el watt o vatio (W), el cual se ha definido, según el Sistema Internacional de Unidades, como la potencia producida por una diferencia de potencial de 1 V, y una corriente eléctrica de 1 A.

PATRÓN DE  CAPACITANCIA ELÉCTRICA (F)

La capacitancia eléctrica es una propiedad de los condensadores; La unidad de medida de la capacitancia eléctrica es el Faradio (F), el cual se ha definido, según el Sistema Internacional de Unidades, como la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una diferencia de potencial de 1 voltio, estas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio.

Su representación analítica está dada por la expresión:

F=CV

PATRON DE INDUCTANCIA (H)

Se denomina inductancia a la relación existente entre el flujo magnético y la intensidad de corriente eléctrica.

La unidad de medida de la inductancia es el Henrio (H), el cual se ha definido, según el Sistema Internacional de Unidades, un circuito cerrado en el que se produce una fuerza electromotriz de 1 voltio, cuando la corriente eléctrica que recorre el circuito varía uniformemente a razón de un amperio por segundo.